一、前言
我們知道我們寫完的Java程序經(jīng)過(guò)javac xxx.java編譯后生成了xxx.class文件，可是你是否想過(guò)xxx.class文件到底是什么？這個(gè)文件中到底包含了什么內(nèi)容？那么現(xiàn)在我們就一起通過(guò)解析一個(gè).class文件來(lái)深入的學(xué)習(xí)一下類文件結(jié)構(gòu)，通過(guò)這次的學(xué)習(xí)，我想你會(huì)對(duì)class文件了如指掌。
二、Class類文件結(jié)構(gòu)
在解析一個(gè)class文件之前，我們需要先學(xué)習(xí)一下Class類文件的結(jié)構(gòu)，這個(gè)類文件結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)總綱，我們馬上就會(huì)對(duì)照著這個(gè)類文件結(jié)構(gòu)解析真正的class文件。
- Class文件是一組以8個(gè)字節(jié)為基礎(chǔ)單位的二進(jìn)制流（可能是磁盤文件，也可能是類加載器直接生成的），各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)目嚴(yán)格按照順序緊湊地排列，中間沒有任何分隔符；
- Class文件格式采用一種類似于C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體的偽結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，其中只有兩種數(shù)據(jù)類型：無(wú)符號(hào)數(shù)和表；
- 無(wú)符號(hào)數(shù)屬于基本的數(shù)據(jù)類型，以u(píng)1、u2、u4和u8來(lái)分別代表1個(gè)字節(jié)、2個(gè)字節(jié)、4個(gè)字節(jié)和8個(gè)字節(jié)的無(wú)符號(hào)數(shù)，可以用來(lái)描述數(shù)字、索引引用、數(shù)量值或者按照UTF-8編碼構(gòu)成字符串值；
- 表是由多個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)獲取其他表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型，習(xí)慣以“_info”結(jié)尾；
- 無(wú)論是無(wú)符號(hào)數(shù)還是表，當(dāng)需要描述同一個(gè)類型但數(shù)量不定的多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)常會(huì)使用一個(gè)前置的容量計(jì)數(shù)器加若干個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)項(xiàng)的形式，這時(shí)稱這一系列連續(xù)的某一類型的數(shù)據(jù)未某一類型的集合。
類文件結(jié)構(gòu)圖：
三、類文件分析
我們就以一個(gè)非常經(jīng)典的代碼作為例子進(jìn)行分析，代碼如下：
package temp;
public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello,World");
}
}
我們通過(guò)16進(jìn)制編輯器打開編譯后的HelloWorld.class文件，其十六進(jìn)制的文件內(nèi)容如下：
1、魔數(shù)和版本
- Class文件的頭4個(gè)字節(jié)，唯一作用是確定文件是否為一個(gè)可被虛擬機(jī)接受的Class文件，固定為“0xCAFEBABE”。
- 第5和第6個(gè)字節(jié)是次版本號(hào)，第7和第8個(gè)字節(jié)是主版本號(hào)（0x0034為52，對(duì)應(yīng)JDK版本1.8）；Java的版本號(hào)是從45開始的，JDK1.1之后的每一個(gè)JDK大版本發(fā)布主版本號(hào)向上加1，高版本的JDK能向下兼容低版本的JDK。
對(duì)應(yīng)到class文件中就是：
2、常量池
緊接著主版本號(hào)的就是常量池，常量池可以理解為class文件的資源倉(cāng)庫(kù)，它是class文件結(jié)構(gòu)中與其它項(xiàng)目關(guān)聯(lián)最多的數(shù)據(jù)類型，也是占用class文件空間最大的數(shù)據(jù)項(xiàng)目之一，也是class文件中第一個(gè)出現(xiàn)的表類型數(shù)據(jù)項(xiàng)目。
由于常量池中常量的數(shù)量不是固定的，所以常量池入口需要放置一項(xiàng)u2類型的數(shù)據(jù)，代表常量池中的容量計(jì)數(shù)。不過(guò)，這里需要注意的是，這個(gè)容器計(jì)數(shù)是從1開始的而不是從0開始，也就是說(shuō)，常量池中常量的個(gè)數(shù)是這個(gè)容器計(jì)數(shù)-1。將0空出來(lái)的目的是滿足后面某些指向常量池的索引值的數(shù)據(jù)在特定情況下需要表達(dá)“不引用任何一個(gè)常量池項(xiàng)目”的含義。class文件中只有常量池的容量計(jì)數(shù)是從1開始的，對(duì)于其它集合類型，比如接口索引集合、字段表集合、方法表集合等的容量計(jì)數(shù)都是從0開始的。
常量池中主要存放兩大類常量：字面量和符號(hào)引用。字面量比較接近Java語(yǔ)言的常量概念，如文本字符串、聲明為final的常量等。而符號(hào)引用則屬于編譯原理方面的概念，它包括三方面的內(nèi)容：
- 類和接口的全限定名（Fully Qualified Name）；
- 字段的名稱和描述符（Descriptor）；
- 方法的名稱和描述符；
Java代碼在進(jìn)行javac編譯的時(shí)候并不像C和C++那樣有連接這一步，而是在虛擬機(jī)加載class文件的時(shí)候進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接。也就是說(shuō)，在class文件中不會(huì)保存各個(gè)方法、字段的最終內(nèi)存布局信息，因此這些字段、方法的符號(hào)引用不經(jīng)過(guò)運(yùn)行期轉(zhuǎn)換的話無(wú)法得到真正的內(nèi)存入口地址，虛擬機(jī)也就無(wú)法使用。當(dāng)虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)，需要從常量池獲得對(duì)應(yīng)的符號(hào)引用，再在類創(chuàng)建時(shí)或運(yùn)行時(shí)解析、翻譯到具體的內(nèi)存地址中。
常量池中的每一項(xiàng)都是一個(gè)表，在JDK1.7之前有11中結(jié)構(gòu)不同的表結(jié)構(gòu)，在JDK1.7中為了更好的支持動(dòng)態(tài)語(yǔ)言調(diào)用，又增加了3種（CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_MethodType_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info）。不過(guò)這里不會(huì)介紹這三種表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
這14個(gè)表的開始第一個(gè)字節(jié)是一個(gè)u1類型的tag，用來(lái)標(biāo)識(shí)是哪一種常量類型。這14種常量類型所代表的含義如下：
由class文件結(jié)構(gòu)圖可知：
常量池的開頭兩個(gè)字節(jié)0x0022是常量池的容量計(jì)數(shù)，這里是34，也就是說(shuō)，這個(gè)常量池中有33個(gè)常量項(xiàng)。
我們可以看一下這33個(gè)常量：
藍(lán)色部分的內(nèi)容就是33個(gè)常量，我們可以發(fā)現(xiàn)圖片右邊用UTF-8編碼后已經(jīng)把常量翻譯成了英文字母?？梢钥吹竭@部分的內(nèi)容非常多。因?yàn)槌Ａ砍刂械某Ａ勘容^多，每一中常量還有自己的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致常量池的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，這里只解析第一個(gè)常量作為示例：
看看這個(gè)例子的第一項(xiàng)，容量計(jì)數(shù)后面的第一個(gè)字節(jié)標(biāo)識(shí)這個(gè)常量的類型，是0x0A，即10，查表可知是類方法的符號(hào)引用，這個(gè)常量表的結(jié)構(gòu)如下：
| 類型 | 名稱 | 數(shù)量 |
|---|---|---|
| U1 | tag | 1 |
| U2 | name_index | 1 |
| U2 | descriptor_index | 1 |
按照這個(gè)結(jié)構(gòu)，可以知道name_index是6（0x0006），descriptor_index是20（0x0014）。這都是一個(gè)索引，指向常量池中的其他常量，其中name描述了這個(gè)方法的名稱，descriptor描述了這個(gè)方法的訪問標(biāo)志（比如public、private等）、參數(shù)類型和返回類型。（這里因?yàn)槭止そ馕龀Ａ砍卮_實(shí)是一件很坑爹的工作，而且后面會(huì)介紹自動(dòng)解析的工具，所以這里就不去管name和descriptor的內(nèi)容了）
我們可以看到手工解析常量池是一件非常痛苦的事情，這里還只是一個(gè)特別簡(jiǎn)單的例子生成的class文件，我們可以自己想想如果是自己寫的一個(gè)程序編譯為class文件后，它的常量池會(huì)非常大，所以Java已經(jīng)為我們提供了一個(gè)解析常量池的工具javap，我們可以通過(guò)javap -verbose class文件名，就可以自動(dòng)幫我們解析了，下面是這個(gè)程序的解析結(jié)果：
I:\work\out\production\work\temp>javap -verbose HelloWorld
警告: 二進(jìn)制文件HelloWorld包含temp.HelloWorld
Classfile /I:/work/out/production/work/temp/HelloWorld.class
Last modified 2018-8-3; size 543 bytes
MD5 checksum 5eeb0ca06c253d3206781e81895bd4a4
Compiled from "HelloWorld.java"
public class temp.HelloWorld
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #6.#20 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref #21.#22 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#3 = String #23 // Hello,World
#4 = Methodref #24.#25 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
#5 = Class #26 // temp/HelloWorld
#6 = Class #27 // java/lang/Object
#7 = Utf8 <init>
#8 = Utf8 ()V
#9 = Utf8 Code
#10 = Utf8 LineNumberTable
#11 = Utf8 LocalVariableTable
#12 = Utf8 this
#13 = Utf8 Ltemp/HelloWorld;
#14 = Utf8 main
#15 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#16 = Utf8 args
#17 = Utf8 [Ljava/lang/String;
#18 = Utf8 SourceFile
#19 = Utf8 HelloWorld.java
#20 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V
#21 = Class #28 // java/lang/System
#22 = NameAndType #29:#30 // out:Ljava/io/PrintStream;
#23 = Utf8 Hello,World
#24 = Class #31 // java/io/PrintStream
#25 = NameAndType #32:#33 // println:(Ljava/lang/String;)V
#26 = Utf8 temp/HelloWorld
#27 = Utf8 java/lang/Object
#28 = Utf8 java/lang/System
#29 = Utf8 out
#30 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
#31 = Utf8 java/io/PrintStream
#32 = Utf8 println
#33 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V
{
public temp.HelloWorld();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 2: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Ltemp/HelloWorld;
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3 // String Hello,World
5: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return
LineNumberTable:
line 4: 0
line 5: 8
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 9 0 args [Ljava/lang/String;
}
SourceFile: "HelloWorld.java"
這里我們先不要管后面的內(nèi)容，我們只看常量池部分，很明顯，33個(gè)常量已經(jīng)被解析完畢，現(xiàn)在我們可以看一下第一個(gè)常量的內(nèi)容：
[圖片上傳失敗...(image-8b7582-1533291668097)]
我們可以發(fā)現(xiàn)第一個(gè)常量指向了第6個(gè)和第20個(gè)常量，經(jīng)過(guò)分析其指向的常量，最終的結(jié)果是后面顯示的java/lang/Object."<init>":()V，我們現(xiàn)在對(duì)這個(gè)字符串所表示的內(nèi)容大概有自己的猜測(cè)，不過(guò)也有自己的疑惑之處，這都不要緊，因?yàn)楹竺嫖覀兙蜁?huì)分析相似的字符串的意思。而且我們會(huì)發(fā)現(xiàn)<init>并沒有在Java程序中出現(xiàn)，還有一些內(nèi)容也沒有在Java程序中出現(xiàn)，比如“[”、“V”、“LineNumberTable”等。這是自動(dòng)生成的常量，但它們會(huì)被后面即將介紹到的字段表、方法表和屬性表引用到，用來(lái)描述一些不方便使用固定字節(jié)表示的內(nèi)容。譬如描述方法的返回值是什么？有幾個(gè)參數(shù)？每個(gè)參數(shù)的類型是什么？
最后，給出14種常量項(xiàng)的結(jié)構(gòu)：
HelloWorld這個(gè)類的訪問標(biāo)志就是ACC_PUBLIC和ACC_SUPER，這一點(diǎn)我們可以在javap得到的結(jié)果中驗(yàn)證：
這篇博客就先分析到訪問標(biāo)志，因?yàn)楹竺娴膬?nèi)容還有很多，考慮到一篇很長(zhǎng)的文章會(huì)極大的降低閱讀體驗(yàn)，所以類文件結(jié)構(gòu)這篇文章就分為兩章。
